Estudio experimental ortogonal sobre la permeabilidad de la mezcla suelo-roca
(1. Escuela de Ingeniería Civil y Arquitectura, Universidad Central Sur, Changsha 410075, Hunan.
2. Instituto Provincial de Planificación, Estudio y Diseño del Transporte de Guizhou, Guiyang , Guizhou 550001)
Como cuerpo de acoplamiento medio de suelo y piedra, la mezcla de suelo y roca tiene características únicas como heterogeneidad, discontinuidad y dificultad en la recolección de muestras, lo que genera grandes dificultades para la investigación. La mezcla de suelo y roca es un medio poroso típico y su permeabilidad está estrechamente relacionada con el tamaño de las partículas, la proporción de huecos y la forma de las partículas. A través de experimentos ortogonales en interiores y un medidor de permeabilidad de cabeza constante de fabricación propia, se estudiaron los efectos del contenido de grava, la proporción de huecos y la forma de las partículas sobre el coeficiente de permeabilidad de mezclas de suelo y roca de diferentes grados. Mediante experimentos ortogonales, se determinó el orden de influencia de tres factores sobre el coeficiente de permeabilidad de la mezcla suelo-roca y se determinó el nivel de significancia de cada factor. Se propone la fórmula de cálculo para el coeficiente de permeabilidad de la mezcla suelo-roca, y la exactitud de la fórmula se verifica a través de resultados experimentales, lo que proporciona una herramienta de cálculo simple y útil para el cálculo teórico del coeficiente de permeabilidad de la mezcla suelo-roca.
Prueba ortogonal de la fórmula de cálculo de permeabilidad de la mezcla suelo-roca; medios porosos
La mezcla tierra-roca generalmente consiste en grava o rocas como agregados y arcilla o arena como relleno. Es un cuerpo geológico especial entre suelo y macizo rocoso, y un cuerpo de acoplamiento moderado de suelo y roca [1]. Debido a las propiedades únicas de la mezcla suelo-roca, como la complejidad de la composición del material, la irregularidad de la distribución estructural y la dificultad de la recolección de muestras, ha traído grandes dificultades a la investigación, y su investigación aún está en la etapa exploratoria [2]. Las características de permeabilidad, resistencia y deformación son las principales propiedades mecánicas a estudiar en la mecánica de suelos, y juegan un papel importante en diversos campos de la ingeniería civil [3]. La mezcla de suelo y roca es un medio poroso heterogéneo típico [4], y su permeabilidad está estrechamente relacionada con el tamaño de las partículas, la composición de las partículas, la proporción de huecos y la forma de las partículas. El coeficiente de permeabilidad del suelo se puede calcular utilizando el teorema de Darcy mediante pruebas de laboratorio, pero el coeficiente de permeabilidad de la mezcla suelo-roca es difícil de determinar, principalmente porque: el muestreo es difícil de realizar pruebas de permeabilidad convencionales a gran escala; No sólo son costosos e inexactos, sino que también los resultados de las pruebas están muy dispersos y es difícil comprender su regularidad. Hasta el momento no existen datos nacionales sobre la permeabilidad de las mezclas de suelo y roca. Los resultados de las investigaciones existentes se limitan a estudiar su deformación y propiedades mecánicas mediante ensayos de simulación física y numérica, y aún no se ha cubierto la permeabilidad. Por lo tanto, la fórmula de cálculo para el coeficiente de permeabilidad de la mezcla suelo-roca tiene una importancia teórica importante y un valor de aplicación en ingeniería.
Se estudiaron los efectos del contenido de grava, la relación de huecos (densidad) y la forma de las partículas sobre el coeficiente de permeabilidad de la mezcla tierra-roca a diferentes niveles, la relación entre los tres y el coeficiente de permeabilidad de la mezcla tierra-roca. Se encontró y se hizo una propuesta Fórmula de cálculo para el coeficiente de permeabilidad de la mezcla suelo-roca.
1 Ensayo ortogonal de permeabilidad de la mezcla suelo-roca
1.1 Diseño del plan de ensayo ortogonal
El ensayo en interior consideró el contenido de grava, la relación de huecos (densidad) y La forma de las partículas sobre el coeficiente de permeabilidad de la mezcla suelo-roca, cada factor se considera en tres niveles. Para este experimento de tres factores y tres niveles, si se tienen en cuenta los efectos de los diferentes niveles de cada factor en el sustrato, se pueden obtener 33 conjuntos de experimentos según la combinación, lo cual es un desperdicio de mano de obra, recursos materiales y tiempo, por lo que es más razonable utilizar un diseño experimental ortogonal para estudiar este tema. La tabla ortogonal seleccionada para este experimento es L9(34), que tiene en cuenta la influencia de los errores experimentales, pero no considera la interacción entre varios factores (es decir, suponiendo que no se afectan entre sí). * * * Requiere 9 conjuntos de pruebas, cada conjunto de 3 pruebas paralelas y 27 pruebas de penetración. Los factores y los grados correspondientes utilizados en esta prueba se muestran en la Tabla 1. Las formas de grano grueso se dividen en tres grados: esférica, hexaedro y pirámide triangular, que se reemplazan aproximadamente por guijarros, piedras fuertemente erosionadas y grava nueva, respectivamente.
Tabla 1 Niveles de factores de prueba ortogonales
1.2 Propiedades físicas y mecánicas básicas de la muestra
La muestra de suelo utilizada en la prueba es Qinglong, sección Guizhou de Shangrui Autopista en construcción Mezcla típica de suelo y roca a la salida del túnel. Los indicadores físicos y la curva de gradación de partículas del suelo en su estado natural se muestran en la Tabla 2 y la Figura 1. Como se puede ver en la Figura 1, el coeficiente de heterogeneidad Cu de la muestra de suelo recuperada del campo es 12,31, lo que indica que hay múltiples series de tamaños de partículas en la muestra de suelo, con una gran diferencia en los tamaños de partículas gruesas y finas.
El coeficiente de curvatura Cc de la curva de gradación de partículas es 1,59, lo que indica una gradación excelente.
Tabla 2 Indicadores físicos básicos del suelo natural
Figura 1 Curva de gradación de partículas del suelo natural
1.3 Desarrollo de grandes proyectiles perforantes
《 Las "Especificaciones de pruebas geotécnicas" (SL 237-1999) estipulan que el coeficiente de permeabilidad interior del suelo de grano grueso debe probarse con un medidor de permeabilidad de cabeza constante. El medidor de permeabilidad de cabeza constante comúnmente utilizado en China es el tipo 70. El diámetro interior del cilindro del permeámetro Modelo 70 es de 9,44 cm y el tamaño máximo de partícula del material de prueba es de 2 cm. La especificación [5] requiere que el diámetro interior del cilindro sea de 8 a 10 veces el tamaño máximo de partícula. Por lo tanto, el diámetro interior del cilindro del permeámetro Tipo 70 es demasiado pequeño y es necesario desarrollar un permeámetro de gran tamaño. El diámetro interior y la altura de la muestra del permeámetro casero deben ser al menos 8 veces el tamaño de partícula más grande, es decir, al menos 16 cm. Además, considerando el efecto límite, los extremos superior e inferior de la muestra aumentan en 2 cm respectivamente, por lo que el diámetro interior y la altura de la muestra del permeámetro casero son 16 cm y 20 cm respectivamente. Teniendo en cuenta la fuerte permeabilidad de la mezcla tierra y roca, el diámetro de las tuberías de entrada y salida de agua es de 2 cm. El permeámetro casero de cabeza constante grande se muestra en las Figuras 2 y 3.
Figura 2 Diagrama esquemático del medidor de permeabilidad de cabeza constante
La unidad de datos es centímetros.
Figura 3 Medidor de permeabilidad casero
2 Análisis del resultado de la prueba
2.1 Resultado de la prueba
Según la tabla de prueba ortogonal L9(34) Disposición, * * * necesita realizar 9 conjuntos de pruebas, y cada conjunto de pruebas debe realizarse en paralelo 3 veces. Tome el promedio de las tres mediciones y multiplíquelo por el coeficiente de corrección de temperatura para obtener el coeficiente de permeabilidad de cada conjunto de pruebas a 20°C. Los resultados de la medición del coeficiente de permeabilidad se muestran en la Tabla 3.
Tabla 3 Resultados de la medición de la prueba de permeabilidad
Continuación
2.2 Análisis de la prueba
Usando el método de análisis intuitivo y la varianza de la prueba ortogonal Usando Mediante el método analítico, se analizó el orden primario y secundario de la influencia de varios factores sobre el coeficiente de permeabilidad de la mezcla suelo-roca, se dibujó un gráfico de tendencias del nivel de influencia de cada factor y se encontró el nivel de significancia de cada factor. .
2.2.1 Análisis intuitivo
Realizar análisis de rango del coeficiente de permeabilidad de la mezcla suelo-roca obtenido mediante el ensayo ortogonal, y dibujar un gráfico de tendencia de la influencia horizontal de cada uno. factor. La tabla de análisis del rango de prueba ortogonal se muestra en la Tabla 4, y la relación entre los tres factores y el coeficiente de permeabilidad se muestra en la Figura 4.
Tabla 4 Tabla de Análisis de Rango
Figura 4 Relación entre varios factores y coeficiente de permeabilidad
a-contenido de grava; b-forma de partícula gruesa
; p>
Se puede ver en la tabla de análisis de rango de la prueba ortogonal que el orden de influencia en el coeficiente de permeabilidad de la mezcla suelo-roca es A → B → C, es decir, contenido de grava → relación vore → partícula forma. Se puede ver en el diagrama de relación entre varios factores y el coeficiente de permeabilidad que cuanto mayor es el contenido de grava, mayor es la relación de vacíos, mayor es el coeficiente de permeabilidad, mayor es la redondez de las partículas y menor es el coeficiente de permeabilidad. En la ingeniería de carreteras y de presas, el coeficiente de permeabilidad requerido para el proyecto se puede obtener ajustando el contenido, la densidad y la forma de las partículas gruesas.
Análisis de varianza
Para determinar si las diferencias en los resultados de las pruebas correspondientes a diferentes niveles de factores son causadas por diferentes niveles de factores o por errores de prueba, y analizar los factores que afectan el coeficiente de permeabilidad de la mezcla de suelo y roca Para proporcionar una evaluación cuantitativa precisa de los niveles de significancia de varios factores, los datos de la prueba deben analizarse mediante análisis de varianza de experimentos ortogonales. Los resultados del análisis se muestran en la Tabla 5.
Tabla 5 Resultados del análisis de varianza
Los resultados del análisis de varianza muestran que:
(1) La diferencia en los resultados de las pruebas correspondientes a cada nivel de factores es causado por diferentes niveles de factores Causado por, más que por errores de inspección;
(2) El contenido de grava tiene un impacto muy significativo en el coeficiente de permeabilidad de la mezcla suelo-roca, la relación de vacíos tiene un impacto significativo sobre el coeficiente de permeabilidad de la mezcla suelo-roca, y la forma de las partículas afecta No significativo.
3 Coeficiente de permeabilidad de la mezcla tierra-roca
3.1 Relación entre el coeficiente de permeabilidad y el contenido de grava
Como todos sabemos, el coeficiente de permeabilidad de la mezcla tierra-roca está relacionado con el tamaño de partícula y la gradación.
Este artículo elige el tamaño de partícula equivalente d20 y el coeficiente de curvatura Cc para representar el tamaño de partícula y la gradación del suelo, porque la literatura [3] cree que el tamaño de partícula equivalente d20 puede representar con mayor precisión el tamaño de partícula que otros coeficientes característicos del tamaño de partícula. y es diferente del tamaño de las partículas. Los coeficientes relacionados son el coeficiente de irregularidad Cu y el coeficiente de curvatura Cc, que solo reflejan el grado discreto de la composición de las partículas del suelo. El coeficiente de curvatura Cc puede reflejar las características de la curva de composición de las partículas. . Las curvas de gradación de partículas de diferentes contenidos de grava se muestran en la Figura 5. El coeficiente característico del tamaño de partícula de cada curva se puede obtener de la Figura 5 y se muestra en la Tabla 6.
Figura 5 Curva de gradación de partículas de la muestra
Tabla 6 Características del tamaño de partícula de diferentes contenidos de partículas gruesas
Como se puede observar en la Figura 6, en otras condiciones lo mismo En el caso de , el coeficiente de permeabilidad k de la mezcla suelo-roca tiene una relación lineal con la función f (d20, Cc), donde,
Figura 6 k20-f (d20, Cc) curva
3.2 La relación entre el coeficiente de permeabilidad y la compacidad
Según el análisis de varianza de la prueba ortogonal, el impacto de la porosidad e en el coeficiente de permeabilidad no es tan grande como el del contenido de partículas gruesas. pero también es muy significativo. Cuando otras condiciones son iguales, k tiene una relación lineal con , como se muestra en la Figura 7.
Mezcla suelo-roca
3.3 Relación entre el coeficiente de permeabilidad y la forma de las partículas
En 1938, Tikell y Hiatt discutieron la "angularidad" y la "redondez" de las partículas. "La influencia sobre el coeficiente de permeabilidad señala que cuanto mayor es la angularidad de las partículas, mayor es el coeficiente de permeabilidad [6]. De acuerdo con la tabla de análisis de prueba ortogonal, se puede ver que CS 1: cs2: CS3 = 0,9: 1: 1,2 Los datos de la prueba se hacen en regresión y los resultados son consistentes con los resultados de la prueba cuando los coeficientes de forma CS 1 = 0,18. CS 2 = 0,2 y CS 3 = 0,24.
3.4 Coeficiente de permeabilidad de la mezcla suelo-roca
Se puede ver en el análisis anterior que el coeficiente de permeabilidad de la mezcla suelo-roca está relacionado con el tamaño de las partículas, la gradación de las partículas y la forma de las partículas. y relación de vacíos. El fluido también tiene una cierta influencia en la permeabilidad, principalmente debido a la viscosidad dinámica eta del líquido. Una gran cantidad de resultados de investigaciones muestran que el coeficiente de permeabilidad K es proporcional a g/η [3, 4, 7]. Por lo tanto, la fórmula de cálculo para el coeficiente de permeabilidad de la mezcla suelo-roca es
Mezcla suelo-roca
donde: k es el coeficiente de permeabilidad de la mezcla suelo-roca, cm/s; Cs es el coeficiente de forma de las partículas, m-3; D20 es el tamaño de partícula equivalente, el peso del suelo menor que este tamaño de partícula representa el 20 del peso total del suelo, m es el coeficiente de curvatura de la gradación de las partículas; la relación de vacíos; g es la aceleración de la gravedad, 9,8n; eta es la viscosidad dinámica del líquido, kPa s (10-6), eta20 = 1,01×10-6 kPa s.
El coeficiente de permeabilidad k20 de la mezcla suelo-roca calculado según la fórmula (1) a 20°C se muestra en la Tabla 7. En comparación con otros parámetros físicos y mecánicos, la permeabilidad de la mezcla suelo-roca tiene un rango de variación mucho más amplio. Al mismo tiempo, su permeabilidad es extremadamente desigual debido a la complejidad de la macroestructura y la microestructura [8]. Para verificar aún más la exactitud de la fórmula (1), los valores medidos se comparan con los valores calculados obtenidos de la fórmula (1), como se muestra en la Figura 8. Como se puede ver en la Figura 8, el coeficiente de permeabilidad calculado mediante la fórmula (1) es básicamente consistente con el valor medido. El error relativo promedio de los nueve grupos de muestras es 21, lo cual es lo suficientemente preciso para el coeficiente de permeabilidad del suelo-roca. mezcla con fuerte discreción.
Tabla 7 Correspondencia entre valores calculados y valores medidos
Figura 8 Correspondencia entre valores calculados y valores medidos
4 Conclusión
(1) A través de experimentos ortogonales, se obtienen los efectos primarios y secundarios del contenido de grava, la relación de huecos y la forma de las partículas sobre el coeficiente de permeabilidad de la mezcla suelo-roca, y se obtiene el nivel de significancia de cada factor. En el diseño de ingeniería, la permeabilidad de la mezcla de suelo y roca se puede controlar ajustando razonablemente el contenido de grava, la relación de huecos (densidad) y la forma de las partículas.
(2) El coeficiente de permeabilidad de la mezcla suelo-roca es proporcional a la función compuesta por el tamaño de partícula equivalente d20 y el coeficiente de curvatura Cc, y es proporcional a la función de relación de vacíos.
(3) Se propuso una fórmula de cálculo para el coeficiente de permeabilidad de la mezcla suelo-roca, y la exactitud de la fórmula se verificó a través de resultados experimentales, proporcionando una herramienta de cálculo simple y útil para la predicción cuantitativa de la permeabilidad. coeficiente de mezcla suelo-roca.
Referencia
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Liu Jie. Estabilidad de las filtraciones del suelo y control de las filtraciones. Beijing: Water Conservancy and Electric Power Press, 1992: 1 ~ 20.
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[5]La República Popular China y el Ministerio de Recursos Hídricos. Código de ensayos geotécnicos (SL 237-1999). Beijing: China Water Conservancy and Hydropower Press, 1999: 114 ~ 120.
[6] Tickell FG, Hiatt WN. Efecto de la angularidad del grano sobre la porosidad y permeabilidad de areniscas no consolidadas. Boletín AAPG, 1938, 22(9): 1272~1274
Huang Wenxi. Propiedades de ingeniería del suelo. Beijing: Water Conservancy and Electric Power Press, 1984: 60 ~ 129.
Qiu Xiande, Yan, Liu Li, etc. La influencia de las características del tamaño de las partículas del enrocado en su permeabilidad. Geomecánica, 2004, 25 (6): 950 ~ 954